Analizando Mezcla falta de homogeneidad en un dispositivo de microfluidos por Microscale Schlieren Técnica

Resumen

Aquí, describimos un procedimiento que emplea la técnica de Schlieren a microescala para medir la falta de homogeneidad de la mezcla en un dispositivo microfluídico. A través de la calibración, la distribución del gradiente de concentración se puede derivar de la imagen de micro-schlieren.

Resumen

En este trabajo, presentamos el uso de la técnica schlieren microescala para medir la falta de homogeneidad de mezcla en un dispositivo de microfluidos. El sistema schlieren microescala se construye a partir de un microscopio de contraste de modulación Hoffman, que proporciona un fácil acceso al plano focal posterior de la lente del objetivo, mediante la eliminación de la placa de hendidura y la sustitución del modulador con un filo de la navaja. El principio de funcionamiento de la técnica schlieren microescala se basa en la detección de desviación de la luz causada por la variación del índice de refracción ^1-3. La luz desviada sea escapa o es obstruido por el filo de la navaja para producir un brillante o una banda oscura, respectivamente. Si el índice de refracción de la mezcla varía linealmente con su composición, el cambio local en la intensidad de luz en el plano de la imagen es proporcional al gradiente de concentración normal al eje óptico. La imagen micro-schlieren da una proyección bidimensional de la luz producida por la falta de homogeneidad perturbado tridimensional.

Para llevar a cabo el análisis cuantitativo, se describe un procedimiento de calibración que mezcla dos fluidos en un T-microcanal. Llevamos a cabo una simulación numérica para obtener el gradiente de concentración en el T-microcanales que se correlaciona estrechamente con la imagen-micro schlieren correspondiente. Por comparación, se establece una relación entre las lecturas de escala de grises de la imagen micro-schlieren y los gradientes de concentración presentados en un dispositivo de microfluidos. Usando esta relación, somos capaces de analizar la falta de homogeneidad de mezcla de imagen micro schlieren asociado y demostrar la capacidad de la técnica schlieren microescala con las mediciones en un oscilador de microfluidos ^4. Para fluidos ópticamente transparentes, la técnica schlieren microescala es una herramienta de diagnóstico atractivo para proporcionar información de campo completo instantánea que conserva las características tridimensionales del proceso de mezcla.

Introducción

Mezcla de líquidos es un problema importante que se encuentra en muchos procesos industriales y sistemas biológicos. Con la aparición de la microfluídica, mezclando en microescala ha traído mucha atención debido a su desafío en la dominación de difusión entre los mecanismos de transporte de masas. Desde el diseño de una validación cuantitativa micromezclador efectiva requerida, varios métodos de medición se desarrollaron ^5-7. Sin embargo, la estructura tridimensional, se encuentran comúnmente en micromezcladores eficientes ^5, exige una representación más precisa del campo de concentración que las técnicas de medición comunes no pueden entregar. Debido al límite de ángulo de visión ⁸ o cinética de reacción ^6, los métodos mencionados anteriormente pueden producir resultados engañosos que no representan correctamente para la homogeneidad de la mezcla.

Para fluidos ópticamente transparentes de mezcla en microestructuras ópticamente transparentes, técnica schlieren microescala ^3,9-14 proporciona una alternativa atractiva para analizar la mezcla de falta de homogeneidad. En el pasado, la técnica schlieren microescala ha sido utilizado principalmente para visualizar el flujo compresible ^{9-13, 15} o fase gradiente de ^16. Microescala beneficios técnica Schlieren tanto de un diseño óptico simple y alta sensibilidad y permite no sólo la investigación no invasiva de la función de flujo específico que causa perturbación óptica pero es muy adecuado para su uso en la evaluación de la mezcla. En este trabajo, se construye el sistema schlieren microescala mediante la inserción de un filo de la navaja en el plano focal del objetivo de un microscopio, describir un procedimiento de calibración para realizar el análisis cuantitativo y reportar una medición de validación en un oscilador de microfluidos ^4. Para implementar mediciones, los fluidos de trabajo se seleccionan adecuadamente de modo que el índice de refracción de los fluidos mezclados varía linealmente con la composición, y el espesor del dispositivo de microfluidos objetivo es idéntica a la dee utilizado en la calibración. Además de la concentración de las especies, la técnica schlieren microescala se puede extender para medir el gradiente de otra cantidad escalar que se correlaciona linealmente con el índice de refracción, tales como la temperatura o la salinidad.

Protocolo

1. La fabricación de dispositivos de microfluidos

1. Utilice un software gráfico de diseño (por ejemplo, AutoCAD) para dibujar el contorno de una camiseta de microcanales. Para el T-microcanal, los dos canales de alimentación son 90 micras de ancho y 2,500 m de largo, y el canal de confluencia es de 180 micras de ancho y 3,000 m de largo. Conectar el extremo de cada canal a un individuo círculo con un diámetro de 1,100 m.
2. Marcos 'clara' y 'oscuro' de la exposición y las áreas cubiertas, respectivamente. Para un fotoprotector negativo (por ejemplo, SU-8), la forma de la T-microcanal es 'clara' y el entorno es "oscuro".
3. Utilice un generador de patrones de láser con una longitud de onda de 442 nm y un tamaño mínimo de característica de 2 micras para transferir el patrón de la T-microcanal sobre una fotomáscara de cromo sobre vidrio.
4. Utilice la fotomáscara, un sustrato (por ejemplo, de un solo lado pulido de obleas de silicio) y una resina fotosensible epoxi permanente (por ejemplo,., SU-8) para hacer un molde a través de un proceso de litografía estándar. La capa fotorresistente es 55,2 m de espesor. En general, el espesor fotorresistente debe ser más delgada que la profundidad de la correlación de la lente objetivo ^17-19.
5. Utilice el molde y un material transparente, tal como polidimetilsiloxano (PDMS) para fabricar el ^T-20 microcanal.
6. Para la conexión fluídica, utilizar un tubo de acero inoxidable de 2 mm de diámetro exterior para perforar agujeros pasantes alineados con los patrones circulares en los PDMS.
7. Tratar las superficies de los PDMS y un portaobjetos de vidrio con plasma de oxígeno a 60 W durante 30 s. Conecte el PDMS a la lámina de vidrio. Las superficies oxidadas de los dos materiales crean una unión fuerte. Coloque la estructura PDMS unido en un plato caliente durante 5 minutos a 120 ° C.
8. Inserte los tubos de teflón en los agujeros perforados para la conexión de fluido.

2. Configuración Experimental

1. Construir el sistema schlieren microescala de un Hoffman modulación contraste microscopio mediante la eliminación de la placa de ranura en el plano focal frontal del condensador y la sustitución de la modulador con un filo de cuchillo en el plano focal posterior del objetivo 5X ^3. La profundidad de correlación, que depende de la apertura numérica del objetivo ^17-19, debe ser suficiente para cubrir toda la profundidad del dispositivo de microfluidos. La superficie de la cuchilla es ennegrecido por óxido de aluminio anódica para reducir su reflectividad.
2. Monte la cámara de alta velocidad para el tubo trinocular del microscopio a través de un adaptador de montaje C. Tienes la cámara frente a la trayectoria óptica del microscopio a través de un divisor de haz. Conecte la cámara a una computadora de escritorio a través de un cable Ethernet. Establecer la corrección gamma a 1 para la cámara de manera que su lectura en escala de grises es proporcional a la luminancia de entrada.
3. Encienda la fuente de luz. Con el fin de evitar el exceso de calor, utilice LED (diodo emisor de luz) de iluminación.
4. Utilice un software de procesamiento de imágenes (por ejemplo, </ Em> Función imread en MATLAB) para obtener los valores de escala de grises de una imagen adquirida. Retire el filo de cuchillo, ajustar la iluminación, la abertura y el tiempo de exposición, de modo que la lectura de la escala de grises promedio de la imagen es de aproximadamente 10% menor que el valor máximo. Esto denota la intensidad de fondo para un punto de corte 0% y usamos un valor de 230 para una imagen de 8 bits.
5. Inserte el filo de la navaja para bloquear la luz incidente por completo. Registre la lectura promedio de la escala de grises de la imagen. Esto indica la intensidad de fondo para un punto de corte 100% y el valor es aproximadamente 15 para una imagen de 8 bits.
6. Ajustar la posición del filo de cuchillo de tal manera que la lectura de la escala de grises promedio de la imagen adquirida se encuentra en el medio de los valores de 0% y 100% de corte. Ahora el grado de el punto de corte se establece en 50%.
7. Preparar dos fluidos transparentes con índices de refracción conocidos ²¹ que son completamente miscibles entre sí como los constituyentes. Para evaluar la dependencia de refracción index de la concentración de la mezcla, compruebe la literatura ²¹ o utilice la ecuación Gladstone-Dale ^22. Si la curva no es lineal en toda la gama, recoger otros componentes del fluido. Entonces, elegir una composición designada por debajo del cual el índice de refracción de la solución varía linealmente con la concentración. Por ejemplo, utilice diluir etanol acuoso con una fracción másica de 0,05 y el agua como los fluidos de trabajo.
8. Ponga la camiseta de microcanales en el escenario de la muestra. Organizar el T-microcanales por lo que con el canal confluentes paralelo al filo de la navaja (Figura 1).
9. Preparar dos jeringas idénticas: Una jeringa se llena con el fluido de trabajo que sirve como el fluido de referencia (agua), y la jeringa B se llena con el otro fluido de trabajo (diluir etanol acuoso). El tamaño de la jeringa depende de la Q caudal deseado y la especificación de la bomba de jeringa: Q = πd ² V / 4, donde d es el diámetro interior de la syrInge y V es la velocidad del émbolo. Pulsación de flujo por lo general se puede prevenir mediante la elección de una pequeña jeringa para aumentar V ^23.
10. Recoger el fluido de salida de la T-microcanal en un vaso de precipitados. Asegúrese de que el tubo de salida de teflón se fija a la pared del vaso de precipitados y su final está por debajo del nivel de líquido en el vaso de precipitados con el fin de evitar la vibración que sería causado por breakoff gotita.

3. Calibración

1. Adquirir las imágenes de los dos fluidos de mezcla y las imágenes de referencia.
   1. En un número de Reynolds Re dado, ajustar la velocidad de flujo de las bombas de jeringa, Q. Q se calcula a partir Q = μ (W + D) Re / 4ρ, donde μ y ρ son la viscosidad y la densidad del fluido de trabajo, y W y D son la anchura y la profundidad del canal de confluencia de la T-microcanal, respectivamente.
   2. Cargar una bomba con jeringa A y la otra bomba con syringe B. Conecte las dos entradas de la T-microcanal para jeringa A y B de la jeringa a través de tubos de teflón. Iniciar las bombas de jeringa para entregar los fluidos de trabajo en el T-microcanal con caudales volumen idénticas.
   3. Espere hasta que el flujo constante establece. La condición de flujo constante se define por la aparición de un patrón schlieren estacionaria.
   4. Utilice el software de la cámara controlada para grabar veinte marcos de mezcla de fluidos a una velocidad de 30 fps.
   5. Parar la bomba que se carga con la jeringuilla B. Sólo bombear el fluido de referencia (agua) a través de una entrada en el canal de confluencia de la T-microcanal a una tasa constante.
   6. Espere hasta que se alcance la condición de flujo constante y no se observa ningún patrón schlieren.
   7. Utilice el software de la cámara controlada para tomar la imagen de referencia, cuando hay falta de homogeneidad óptica está presente en el T-microcanal. Registre veinte fotogramas a una velocidad de 30 fps.
   8. Repita 3.1.1 a 3.1.7 en diferente número de Reynolds: Re = 1, 5, 10, 20 y 50 de manera que ninguna estructura de flujo complejo emerge en la región de confluencia de la ^T-24 microcanal.
2. Utilice un software de procesamiento de imágenes para dividir la imagen adquirida I (i, j) por la imagen de referencia I ₀ (i, j) ^25, donde i y j son los índices de píxeles.
3. Emplear un paquete de CFD (Computational Fluid Dynamics) para simular la mezcla de los fluidos designados en el T-microcanal.
   1. Construir el modelo tridimensional de la geometría de la T-microcanal. Discretizar el dominio de flujo en las redes estructuradas. Para aumentar la precisión, emplear malla más fina en la confluencia y la región central de la T-microcanal.
   2. Asignar las propiedades físicas de los fluidos y establecer las condiciones de contorno para el dominio de flujo. Durante el proceso de resolución de problemas, determinar el coeficiente de difusión dependiente de la concentración de la concentración obtenida en la últimaiteración ²⁶ a fin de actualizar la concentración local.
   3. Examine la sensibilidad de los resultados calculados mediante la realización del estudio de rejilla ^27.
4. Para cada nodo (x _i, y _i) en el plano xy xy, utilizo la herramienta de post-procesamiento de CFD para tomar los valores medios del campo de concentración a través de la profundidad del canal por la regla trapezoidal: w (x _i, y _j) = {Σ _k [w (x _i, y _{j, k} z) + w (x _i, y _j, z _{k 1)]} ∙ (z _{k 1} - z _k) / 2} / D ^28, donde D es la profundidad del canal. Utilice el esquema de diferenciación fundamental para calcular la derivativa de la concentración con respecto a la dirección transversal de la corriente: (∂ w / ∂ y) _{i, j} = [w (x _i, y _{j 1)} - w (x _i, y _j-1)] / (y _{j 1} - y _j-1).
5. Para ambos gradientes positivos y negativos, extraer la relación de los valores de escala de grises I / I ₀ (obtenido en 3.2) y el gradiente de fracción de masa ∂ w / ∂ y (obtenido en 3.4) en los lugares especificados, tales como y = 0 (línea central, sentido de la corriente dirección) o x dado varios (dirección transversal a la corriente).
6. Trazar los resultados y determinar la relación entre la I / I ₀ y ∂ w / ∂ y, I / I ₀ C = ₁ ∂ w / ∂ C y + ₂ (C ₁ y C ₂ son constantes), con regresión lineal.

4. Cuantificación

1. Repita los pasos 3.1 a 3.2 para la mezcla en el dispositivo de microfluidos objetivo. La profundidad del dispositivo de microfluidos objetivo debe ser idéntico o similar a la de la T-microcanal. Si se espera fenómeno inestable, adquirir un videoclip (secuencia de imágenes) en el paso 3.1.4 en su lugar. La velocidad de fotogramas debería ser suficiente para resolver la dinámica del flujo transitorio claramente alto, mientras que el tiempo de exposición debe ser idéntico al valor utilizado en 2.4, 2.5, 3.1.4 y 3.1.7.
2. Utilice la relación obtenida en la etapa 3.6 para convertir la relación de los valores de escala de grises para el gradiente de la fracción de masa en el dispositivo de microfluidos objetivo.

Resultados

La relación de escala de grises I / I ₀ bajo diferente número de Reynolds para ambos gradientes positivos y negativos de la fracción de masa se ​​muestra (Figura 2) con una banda simétrica que aparece en el medio de la T-microcanal. En bajo número de Reynolds, la cola de la banda schlieren se expande y borrosa debido a la dispersión a través de la interfaz de mezcla. A medida que el número de Reynolds aumenta, la longitud de difusión acorta dando lugar a una banda más estrec...

Discusión

Para la mezcla de fluido en un dispositivo de microfluidos, la técnica schlieren microescala es capaz de medir la magnitud del gradiente de concentración a través de la cuantificación de cambio en la intensidad de la luz. Debido a que el principio de esta técnica se basa en la detección de la alternancia de propagación de la luz, los fluidos de trabajo y el dispositivo de microfluidos tienen que ser transparente para la luz incidente. Además, el protocolo requiere una relación lineal entre el índice de refracción de la ...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Oblea de	MicroChem	SU-8 2150
oblea de silicio pulido de un solo lado	S4W1PP5SABUP1		tipo p, diámetro: 100 & plusmn; 0,5 mm, espesor: 525± 25 mm, orientación: (1 0 0)
de jeringa	kdScientific	kds210
jeringa, i.e. 10 ml	Microscopio de contraste de modulación Terumo	SS-10L2138
Hoffman	Lente objetivo Leica Microsystems	DM IL LED
5X	Leica Microsystems	N PLAN	NA = 0,12
filo			personalizado cámara de piezas fabricadas
, i.e. alta velocidad	Herramientas de diseño integradas	NX7-S1
Adaptador de montura C HC 0.63x	541537		Leica Microsystems
	Herramientas de diseño integradas	MotionPro X Studio 2.02.01
polidimetilsiloxano (PDMS)	Dow Corning	Sylgard-184 kit
de elastómero de siliconaTubos de teflón, i.e. Diámetro exterior x Diámetro interno 1/16 pulg. x 0,031 pulg.	Supelco	58700-U
micro portaobjetos de vidrio	Matsunami Glass	S2215
caliente	Yeong-Shin	HP-303DN
agua destilada, i.e. Alps Chemicals de grado HPLC	alcohol
etílico i.e. grado reactivo	Nihon Shiyaku Reactivo	EA448652
procesamiento de imágenes software	Mathworks	MATLAB R2009a paquete de
dinámica de fluidos computacional	grupo ESI	CFD-ACE+ 2008